移籍先としてフェラーリ、レッドブルやトヨタ、BMWザウバー、ホンダの名が挙がったが、2007年12月10日、2008年シーズンより古巣ルノーに復帰することが発表された。シーズン序盤はマシンの競争力が乏しく、予選では上位につける活躍を見せたが、決勝では表彰台にすら立てない程苦戦が続き、特に第10戦ドイツGPのレース内容には、母国スペインのメディアからも批判の声があがった。しかし、第13戦ベルギーGP、第14戦イタリアGPと2戦連続4位入賞で勢いに乗ると、F1史上初のナイトレースである第15戦シンガポールGPでは、セーフティカー出動のタイミングに助けられてシーズン初優勝を飾った（のちに疑惑の勝利「クラッシュゲート」として大騒動になる）。続く第16戦日本GPでも優勝し、2連勝を飾り復調の兆しを見せた。最終戦ブラジルGP、開始数分前に突然の雨が降るなど、波乱の展開となったレースで早めのタイヤ交換など巧みな状況判断で、2位表彰台を獲得。後半戦では驚くべき前進を見せ、終盤6戦では誰よりもポイントを獲得し、ランキング5位でシーズンを終えた。
3年契約でマクラーレンに移籍。チームメイトはルーキーで前年度GP2チャンピオンのルイス・ハミルトン。移籍2戦目となる第2戦マレーシアGPにおいて優勝をあげ、チームメイトのハミルトンと共にワンツーフィニッシュを飾った。その後も第5戦モナコGP、第10戦ヨーロッパGP、第13戦イタリアGPで勝利をあげ、第14戦ベルギーGPまでの全戦でポイントを獲得していたが、次第に自分の地位を脅かすに至ったハミルトンとの確執に加え、第15戦日本GPでのシーズン唯一リタイアを喫したことが痛手となり、最終戦ブラジルGPにてわずか1ポイント差でフェラーリのライコネンに逆転チャンピオンを許し、ハミルトンにも同点ながら上位入賞数の差でドライバーズランキングで抜かれて3位に終わった。シーズン中盤からはチームがハミルトンをひいきしていると批判を繰り返したことで、チームとの関係も悪化した。第11戦ハンガリーGPでは、予選時にハミルトンのアタックをさせないための妨害をしたとして（後述）、5グリッド降格処分を受けた。その後、フェラーリとマクラーレン間のスパイ疑惑問題で、アロンソとペドロ・デ・ラ・ロサが交わしたEメールが証拠となり、FIAからマクラーレンに厳罰が下された。この一件でチーム代表ロン・デニスと完全に対立し、他チーム移籍の噂が囁かれるようになる。そして11月2日、残り2年の契約を破棄してチームを離脱することでマクラーレンと合意したことが発表された。
ディフェンディングチャンピオンとして臨んだ2006年、開幕戦バーレーンGPを制すると前年以上のペースでポイントを積み重ねた。第6戦スペインGPでスペイン人ドライバーとして母国グランプリ初制覇を成し遂げ、大観衆のアロンソマニアたちを喜ばせた。スペインGPから第9戦カナダGPまで4連勝（第5戦ヨーロッパGPから5戦連続ポールポジション）、前半戦終了時点でライバルのシューマッハを25点リードした。中盤以降は突然のマス・ダンパー使用禁止や、第15戦イタリアGP予選での不可解なペナルティなどもあり、第16戦中国GP終了時にはシューマッハにランキングで逆転される。この年限りでルノーを離れる自分にチームのサポートが足りないと不満も漏らした。しかし第17戦日本GPでシューマッハがエンジンブローでリタイアしたことで再逆転し、続く最終戦ブラジルGPでもシューマッハがトラブルで後退したため、余裕の2位フィニッシュで2年連続チャンピオンを獲得した。
ルノー・R25が当初より競争力の高さを示し、開幕戦オーストラリアGPにおいて、チームメイトのジャンカルロ・フィジケラが優勝すると共に、自身も3位表彰台を獲得した。第2戦マレーシアGPではポールポジションを獲得すると、決勝でも圧倒的な速さを見せ、1年7か月ぶりの勝利をあげた。続く第3戦バーレーンGP、第4戦サンマリノGPでも勝利をあげ、自身初の3連勝を達成。特にサンマリノGPでは残り13周で首位走行中に、背後のミハエル・シューマッハからの猛攻に晒されたが、それを凌いで勝利した。第5戦スペインGPでも2位表彰台を獲得し、開幕5戦全てで表彰台を獲得した。その後はマクラーレンのキミ・ライコネンが追い上げを見せ、一時守勢に回ることになったが、抜群の安定感で第17戦ブラジルGPまでに実に17レース中13度の表彰台を獲得。スペイン人として初、そして当時F1史上最年少でF1ワールドチャンピオンに輝いた。その後の2レースでも3位と優勝を獲得し、ルノー初のコンストラクターズチャンピオン獲得に貢献した。「24歳58日」でのチャンピオン獲得は、1972年にエマーソン・フィッティパルディが樹立した最年少チャンピオン記録「25歳273日」を実に33年ぶりに更新するものであった（2008年にルイス・ハミルトン、2010年にセバスチャン・ベッテルによりこの記録は更新された）。シーズンオフには2007年よりマクラーレンへ移籍することを早々と表明した。
2015年1月31日、王俊凱は重慶八中教職員パーティーで《青春修炼手册》「青春修練マニュアル」と《满城花开》「花盛りの城町」を歌った 。2月、王俊凱は2014年度スター影響力ランキングに（中国）大陸部最高人気歌手賞を受賞した。3月及び4月、TFBOYSは《宠爱》「君を可愛がりたい」、《恋西游》「恋西遊」と《样 YOUNG》「様 YOUNG」の3曲を披露した 。王俊凱は4月13日に開催した2015音楽風雲ランキング年度盛典で《继续-给十五岁的自己》「継続-十五歳の自分へ」を歌った 。2015年5月には王俊凱はグループの「様 YOUNG」をカバーし、早朝TOP音楽ランキングの一位を獲得。8月15日、TFBOYSは北京で2周年のファンミーティングを開催し、王俊凱はファン達のため「明るいお宅」、「何も言わないで」などを歌った 。9月19日、王俊凱は実家の重慶でファン達と一緒に16歳の誕生日パーティーを行い、「マネキン」、「夏が欲しい」等を歌った上に、ソロで踊った。12月、グループのアルバム「Big Dreamer」は正式に台湾でも発行された 。2015年の末、王俊凱は2015年間スター影響力ランキングに（中国）大陸部最高人気歌手賞を受賞した(2回目の受賞) 。2016年1月3日、八中の新年パーティーの中で「君を可愛がりたい」、「様 YOUNG」を歌った 。2月7日、TFBOYSはCCTVの春節聯歓晩会で歌舞劇の「幸福に成長」に出演した。5月4日王俊凱は優秀青年代表として、CCTVの“2016五月のお花”という青春を作る青年節晩会に出席し、「少年说」を歌った 。